Diffusionsmembran kallas också"separationsmembran". Ett metallmembran med en fin porös struktur. Mikroporerna kan begränsa det vanliga luftflödet och låta diffusionsflödet passera, så massskillnaden kan användas för isotopseparation. Till exempel, när gasdiffusionsmetoden separerar uranisotoper, är diffusionsmembranet mestadels gjort av sintrad nickel (keramik eller polytetrafluoreten används också).
Det finns hundratals miljoner mikroporer per kvadratcentimeter av membranet, med en diameter på cirka 0,01-0,03 mikron. De måste uppfylla kraven för separationsprocessen och fortfarande upprätthålla stabilitet, tillförlitlighet och viss mekanisk styrka i den heta och korrosiva uranhexafluoridprocessgasen. Dess utveckling är den viktigaste tekniska nyckeln till gasdiffusionsanläggningen.